吳紹靖,張 婧*
(1.華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心,武漢 420065)
大數據和云計算技術實現了知識的廣泛存儲與數據的高效處理,互聯網則提供了一個知識的共享以及高效互通的環境,而人工智能技術的運用則讓人們更能夠發現事物背后的共性以及實現服務的個性化.信息技術對各行各業的影響深遠,不僅僅作為一種高效的工具,更是以一種自然而然的“生活方式” “工作方法”融入各個領域.可見,信息技術的深度融合必然是一種生態化的融入,技術成為生態系統中人的活動所必不可少的一部分.信息技術在教育教學領域中的應用,對原有生態產生了新的影響,“智能環境不僅改變了教與學的方式,而且已經開始深入影響到教育的理念、文化和生態”[1].在教育信息化發展的新階段,發展目標從1.0階段的普及性目標邁向2.0階段的優質發展目標,新的階段目標對教學生態的重塑與演進提出了新的要求.
對教育生態的研究主要是用生態學的理論與方法來研究教育教學問題,用生態的系統與功能、生態平衡、系統進化等觀點與原理來研究教育教學發展規律.對復雜系統的分析,生態研究方法以其突出系統性、開放性、協同性、非線性影響等特征,能更好地解釋教育信息化過程中的要素關系、要素間的相互影響以及系統發展路徑等問題.根據復雜系統的耗散性特征,本研究以普利高津(Prigogine I)的耗散系統理論來探尋信息化教學生態的演變規律,基于系統發展規律構建生態模型,并據此構建可供測量的生態熵指標體系,為不同學校與地區信息化教學生態診斷提供定量測量工具,助力新階段教育信息化的生態演繹與創新發展.
耗散結構(dissipative structure)又名耗散系統,最開始是由物理化學家普利高津于1969年提出的.該理論最早主要用以對非平衡熱力學和非平衡統計物理學的研究,揭示復雜系統的有關特性.隨著耗散系統理論學者們對其科學和哲學意義的深入研究,耗散系統理論逐漸發展成了具有普遍意義的理論體系,并被運用于自然和社會研究的各個領域,如哲學、化學、生物學、社會學、經濟學等眾多復雜性問題的研究實踐[2].該理論的一個重要觀點是系統的自組織性質,認為一個開放的系統在到達遠離平衡態的非線性區時,系統在和外界能量交換時若某一系統參數的變化突破閾值,整個系統可能通過漲落發生突變,即非平衡相變,使原系統在結構上形成一種在時間上、空間上或功能上有序的新狀態,即高熵、有序的自組織狀態.這一新系統結構需要不斷地和外界進行著物質能量交換以維持其自身的有序結構,同時具有一定的抗外界干擾的能力.具有這種性質的結構被普里高津命名為“耗散結構”.
在國內,葉瀾[3]最早探討了耗散結構在教育研究中的應用,從方法論的角度分析了耗散結構理論在教育研究中的意義.隨著課程改革的深入,逐漸有學者以耗散結構理論為依據來探索課改的方向和方法.汪霞[4]在以耗散機構理論為基礎,探討了課堂范式轉換的新思路;母小云[5]認為學生的學習過程是個遠平衡、不斷有序化的結構過程,有效的教學必須是開放系統的非平衡過程,因此,教育改革使教學系統形成耗散結構是具有必要性的.在開放的系統中,教師通過鼓勵、情境營造等策略激發學生學習動機,讓學生在外部信息與大腦信息的非線性互相作用下產生思維的漲落,推動學生思維從混沌走向自組織,推動創新思維等高階思維發展.隨著信息技術的進步,教育方式呈現出多元化的現象,特別是在線教育的迅猛發展,使整個教育活動在表面上呈現出了更高的無序性,此時正需要耗散結構理論為這樣的教學發展提供理論指導.芮正云等[6]運用耗散結構理論分析高校創客空間的熵變因素,并提出了相應的優勢發展策略.同時,在線學習社區的形成是信息技術發展過程中學習生態的變革方向之一,它對教學模式的變革提供了環境基礎,混合線上線下的學習社區建設亦關乎教學質量.朱冠華[7]在對學習型社區系統如何構成耗散結構做了實驗分析,并提出了學習型社區系統建設優化策略.耗散結構理論是對開放系統變化規律的闡述,尤其在教育教學變革問題的探析中更具指導意義.綜上,教育信息化從1.0階段邁向2.0階段是從應用推廣到生態系統構建的發展,從耗散系統角度來分析教學生態的發展規律,可以更為科學、高效地探尋其建設策略.
信息化教學生態是對信息化教學活動產生影響的過程和事件的總和.信息化教學生態的研究歷程,與信息技術環境下的教學應用發展歷程是相互呼應的[8].如何借助信息技術來發展教學生態,研究者從課堂教學的物理環境、人文環境來研究信息化教學生態的更新與迭代.張昭理[9]根據教學設備的更迭提出教學環境發展的四個階段:以黑板或書寫白板為代表的第一階段,電腦結合投影模板的第二階段,電腦結合交互式電子白板的第三階段,以及電腦結合多點觸屏的第四階段,并以starC教學應用為例,陳述了第四代教學環境支撐下的教學資源、教學流程、教學方式的轉變.在教學人文環境方面,李艷紅等[10]以《文學批評》的課程教學為例,從教學理念與教學設計兩方面展開了對生態學習空間對師生、生生等交互的增強做了實證研究,提出促進學習者、教師、技術之間的多元互動,互動中學生移動學習態度與教師的參與引導是重要影響因素.在不同的實施層面上,田勇等[11]從學校層面提出了生態創新建設的策略,提出以教學模式構建的途徑來發展信息化教學生態.殷建華等[12]基于“未來教室”在蘇州市的教改實驗項目,從區域的層面提出從教學質量、學業水平、數字素養等多方面實施課堂教學生態轉型,實現課堂教師、學生雙主體的發展.楊宗凱[13]針對基礎教育信息化融合發展問題,在宏觀上提出匯聚高等院校、政府部門、行業企業、學校校本多方協同的UGBS融合創新模式,以服務供給、資源建設、隊伍建設、制度支持、組織規劃、理論引導等多元合力支持信息化教學生態的變革.總之,信息化教學生態的建設離不開物質環境與人文環境的雙重建設,隨著信息化教學融合的深入,人文環境的建設顯得更加重要,且會反過來影響物質環境并對相關生態系統產生輻射性的影響力.
耗散系統理論認為,一個系統要形成自組織狀態需要具備以下幾個基本條件:系統內部各要素之間存在非線性的相互作用,共同產生了協同性影響;系統從無序走向有序,必須處于遠離平衡態;系統必須是開放的,系統在發生“漲落”且達到或超過一定的閾值導致有序,該狀態的維持需要源源不斷的信息、能量支撐.信息化教學生態的自組織發展同樣需要遵循這些基本條件,這些條件的滿足過程也是信息化教學生態重塑的結構變革、動力變革、開放發展三個階段.
結構是由系統內各要素以及要素關系所決定的,系統功能的實現有賴于一定的結構,同一個結構下可以表現出不同的功能,且結構與功能的改變是會相互影響的.在信息化教學環境中引入技術,該要素的增加會影響到生態的結構,這種物質環境的變化主要帶來的是系統的生態幅的改變.生態幅是指生態中的個體、群體在不同的發展階段對環境有著一定的適應范圍,是承載特定功能的生態結構范圍.生態幅的改變具體體現在信息通道與交流空間的擴展,信息量的增加,以及信息傳輸媒介載體的多元化三個方面,它們對教學的影響是非線性的,其影響力度有賴于教師的教學實踐方式.[14-15]虛擬網絡社群空間的建設,讓信息交流從課堂延伸到課外,信息交流的時空邊界發生了柔性化改變,信息通道的結構變化是教學流程再造與教學設計重組等教學變革與創新的物質基礎.此外,隨著教育信息化的發展,教學內容在量上有了極大的增長,學習工具得到了進一步的豐富,承載內容的媒介從單一的文字擴充為多媒體、虛擬可視、智能互動等多元形式.教學活動的目的之一是促進所選信息向學生流動,信息量與信息載體的增加,豐富了教學內容的選擇性空間,為信息傳輸的路徑優化提供了物質基礎.
技術帶來的非線性影響是生態自組織發展的基礎條件.生態結構與功能之間的關系遵循“花盆效應”[16],用來說明封閉狹隘的生態環境會禁錮生命體的發展,足夠寬廣的生態幅有助于個體的自主發展.生態幅的擴展增加了生態中信息流、能量流的域值,生態關系的復雜化促使生成新的連接方式與信息、能量的流動方式,從而影響著系統的功能.但生態結構在物質環境上的改變并不會必然帶來信息流、能量流流速的增加,寬廣的生態環境是否有助于學生成長,其影響主要取決于教師的教學實踐活動.實踐方式的不同,教學系統的產出存在差異.當技術應用不恰當時,技術的使用會阻礙能量、信息的順暢流動,技術反而會降低教學效果.因此,技術引起的教學生態結構變化是生態功能變革的必要非充分條件.
信息技術的快速發展,以及工業化、全球化的加強,外在系統對教育系統提出了新的要求,多元化的價值觀以及創新性的要求對學校教學生態來說,是一種不可避免的“漲落”影響.系統在平衡狀態和近平衡狀態下,內外引起的“漲落”對生態系統而言是有破壞作用的,但在遠離平衡的區域中,這種“漲落”是具有積極作用,能促進系統發展到新的有序的自組織狀態.在信息化教學生態中,人是最主要的能量、信息受體與載體,僅僅生態幅的變化無法改變近平衡狀態,只有生態系統中人的實踐方式的改變才能促使生態狀態的改變.
教育信息化從1.0跨越到2.0階段,正是我們的教學生態從近平衡狀態向遠離平衡狀態發展的過程,這與教師的信息化教學階段息息相關:技術的科學應用階段跨越到信息化教學創新階段.初步的融合是教師在接受新技術價值觀的條件下,能很好地適應信息化教學,且在教學應用上體現技術的價值特征以及技術應用的合理、有效.第二步則是教學方法、模式的創新,是教師在接納新技術的理念、價值,以及熟練應用信息技術開展教學的基礎上,發揮個人或團體的主觀能動性、創造性,在批判反思中重塑教學方法與教學模式.這個階段的教學不只是對合理有效的追求,而是追求新技術環境下教學藝術的實現,這也是信息化2.0階段的目標任務.當然,信息化1.0階段出現過一些優秀的成果,為新階段如何開展教學創新提供了理論以及實踐上的指引,比如網絡環境下的協作學習、翻轉課堂教學、PBL基于項目的學習、多學科融合教學、精準教學等多元的教學方法與模式[17].多元教學方法的創新發展是信息化教學生態從結構改變飛躍到功能演進的核心,也是重塑學校信息化教學生態的關鍵.
系統從穩態發展到遠離平衡態,實現系統更高層次的自組織,需要不斷地與外界進行物質、能量的交換才能維持,這要求系統保持開放性.在營造更為開放的生態環境方面,基于信息技術在生態結構上的拓展,需要從教師主導的課堂,以及管理者主導的教師共同體兩方面展開[18].
首先,課堂教學環境的開放性有賴于教師教學態度與學生觀的調整,教師需主動地營造信任、開放的交流環境,對學生成長發展的信任與鼓勵,能促進師生的學術交流,增加師生之間能量、信息的傳輸.而學生之間的開放性主要通過教學活動組織來實現,教師在課堂中通過任務與話題的設計,促進學生的自主表達以及群體討論,通過課外任務的布置促進學生與社區、社會環境之間的信息、能量、價值的交流.與此同時,教師之間的開放性有賴于管理者對教師團隊的建設.教師共同體的建設能產生群體決策、智力共振,在信息傳播角度上來講,促使生態中人與人的關系從單一主體發展為交互主體.尤其在面對信息化教學創新這個探索性話題,更需要群體的決策與行為力.教師通常通過教學反思來改造主觀世界,實現個人專業能力的發展.教師個體的實踐反思行為受個體的經驗與認知水平限制,致使教學技能多處于一種重復性的經驗行為.教師共同體之間的對話能產生“視野融合”與“視野分延”效果,即通過教研活動的共享讓個體深入到認知的“盲區”與“隱藏區”,即對原有認知的補充與深化.這種交互主體的群體動力直接影響教師的專業成長,拓展教師專業認知的深度,以及強化專業實踐與探索的能力,進而創造一個遠離平衡的系統狀態,引起教學生態功能的變革,促進生態結構從簡單走向復雜,實現生態功能的產出增益與社會影響力.
教學生態系統有著學生發展、教師專業成長的雙重功能.通過信息化教學生態自組織發展規律可見,教師的創新性與共同體發展是信息化生態變革的關鍵.基于這一要義,本文在生態的圈層結構特征基礎上,結合楊宗凱提出的信息技術與教育教學融合的UGBS理念,提出表征自組織形態的信息化教學生態二元生態模型,如圖1所示.

圖1 信息化教學生態的結構與外環境Fig.1 The structure and external environment of informatization instruction ecology
信息化課堂是信息化教學開展的場地,是師生互動、生生互動的主要場所.在信息化課堂空間,教師以學生為主體對象實現對客體的改造目標.信息化課堂中的學生培育是信息化教學生態的顯性功能,其本質是一個主體客體化過程.在課堂教學生態層中,教師通過教學活動的多元互動將內外環境中的物質流、能量流和信息流轉化為學生的知識流、能力流和價值流,其基本功能包括內在的學生身心的發展與外在的社會人才的培養.教師共同體是基于一定的組織環境與組織活動,由不同知識結構、教學能力專長、思維方式與行為風格的教師組成的信息化教學專業研究團體.共同體是教師的群體共振,是專業學習、交流、反思的一種主要形式,也是教師集體情感的存在方式.在教師共同體中,教師以自身為對象實現對主體的改造.基于共同體的教學反思本質上是一個客體主體化過程,實現了信息化教學生態中教師發展的隱性功能.
智慧課堂與教師共同體兩者之間相互依存、相互影響,通過“教”與“研”的二元融合,實現生態實踐過程中主客體雙重發展.智慧課堂是教師共同體的活動基礎,教師主要通過教學活動的開展來了解與促進學生的認知、思維以及身心的發展.信息化課堂是教師專業價值、教學思想、教學技能的主要體現,也是教師專業反思的素材來源.課堂外的教師共同體為教師提供專業成長的信息流和能量流,課堂中教師為學生的成長與發展提供源源不斷的負熵流.反過來,學生不僅是教師實踐活動的主要對象,也為教師的專業發展提供基本的問題流,提供專業成長的精神支持.由此可見,學生的培育與教師的發展互為輸入輸出,形成一個二元動力系統.學校信息化教學生態具有教師職業發展功能和學生身心發展的雙重功能,而發展效益可以體現在一定范圍內信息流、能量流富集的速度上.對于成熟的信息化教學生態來說,智慧課堂與教師共同體是對立統一、協同發展的.
在信息化教學生態的外環境中,UGBS理念提出的高等院校、政府部門、行業企業與學校的聯合,各組織單位代表了合作分工中不同的專業力量,聯合形成了信息化教學生態的建設共同體.生態外環境作為信息化教學生態的供養體系,對生態的發展與演變有著復雜的交叉性影響,是生態發展的信息技術物質環境、信息化教學運維環境、政策與制度環境,通過專業交流為生態輸入教學行為評價、教學研究的專業信息與能量.信息化教學生態內部主要動力是教師共同體,教師的專業成長與發展也是需要從外界吸收負熵流.生態外環境為教師輸入新的活力與能量,提供融合教學探索上的指引與支持.同時,相關的生態系統間具有相對獨立性,也相互關聯和影響.信息化教學生態中教師共同體的應用訴求、實踐經驗以及教學智慧,也為其他系統的運行與發展提供能量基礎.教師共同體的良好發展也會加快其他生態的發展速度.信息化教學生態的內外環境組成了一個更廣泛的物質與人文生態圈,各系統專業人員聯合形成互利共生的生態關系.
基于自組織形態的信息化教學生態二元生態模型,本文綜合考慮國內外教育信息化發展指標體系、數字校園及智慧校園的建設與應用標準、教師信息化教學教研能力及信息素養的評價指標等相關政策文件與研究文獻,并根據層次分析法的核心思想,從目標層、要素層、變量層和狀態層對信息化教學生態的核心要素進行分析,采用發散與收斂相結合的方式構建了信息化教學生態的正熵和負熵指標體系.[19-22]本研究將其應用在H省的信息化教學生態測量上,用以診斷該省的信息化教學生態發展狀況,為教育信息化的進一步發展提供依據與建議.
信息化教學生態正熵指標體系主要包含了智慧課堂、教師共同體及子系統間的相互影響三個要素,如表1所示.

表1 信息化教學生態正熵指標體系Tab.1 Positive entropy index system of informatization instruction ecology
信息化教學生態負熵指標體系則是從信息技術物質環境、信息化教學運維環境、政策與制度環境三個要素方面加以構建,具體如表2所示.
采用Brussels模型可對信息化教學生態的耗散結構的動態演化進行量化分析.通常數學條件的求解,得到了形成耗散結構的動力學臨界值條件為系統負熵B大于1+A2.本文基于信息化教學生態的特征對模型進行轉義,設定信息化教學生態的正熵為A、負熵為B,由此可確認信息化教學生態形成耗散結構的判別依據為:
(1)
式(1)表明,只有當信息化教學生態的負熵較大且正熵較小的情況下才會形成耗散結構,進而促進信息化教學生態的不斷演化.

表2 信息化教學生態負熵指標體系Tab.2 Negative entropy index system of informatization instruction ecology
首先,根據波爾茲曼的公式,可對具有m個變量層、n個評價等級的指標體系進行熵值計算.其中第i個評價指標的熵值計算公式,具體如下:
(2)
其中,k為常數,通常正熵值計算中取kA=-1/lnn,負熵值計算中取kB=2/lnn,pij表示第i個評價指標在第j個指標評價等級中的比重.由公式(2)可推出,通常eAi的取值范圍為[0,1],eAi越趨近于0,說明生態內部結構越穩定,反之則說明越無序;eBi的取值范圍為[-2,0],當eBi越趨近于-2,表明生態外環境有助于生態內部的有序化,反之則無作用.
其次,根據指標的熵值可計算第i個評價指標的熵權,其中正、負熵中第i個評價指標的熵權計算公式分別如公式(3)和(4)所示.
(3)
(4)
進一步,可基于指標體系整體熵值計算公式(5),得到信息化教學生態正熵值EA和負熵值EB.
(5)
本文選擇了H省的41所數字化示范校作為樣本進行實證分析,在信息化教學生態指標體系的基礎上編制了面向學校和面向教師的兩套調查問卷.調查問卷的所有題目均為客觀題,題型為單選題、多選題和填空題.其中,學校的調查問卷由每所學校的信息化小組負責人進行填寫,共計回收41份,回收率為100%;教師的調查問卷需要每所學校至少20名涵蓋不同學科的教師填寫,共計回收1 655份,其中有效問卷為1 481份,有效率為89.49%.進一步以調查問卷結果為等級劃分依據,共分為5個等級,即nA=nB=5.同時根據評價指標體系可知mA=12,mB=16.基于公式(2)~(5)得到了信息化教學生態的正熵值和負熵值,具體如表 3、表4所示.

表3 信息化教學生態正熵值Tab.3 Positive entropy value of informatization instruction ecology
從表中可知,H省41所數字化示范校的信息化教學生態總熵值E=A+B=-0.440 9<0,說明整體上已處于相對有序的狀態,已有的信息化教學生態外部環境促進著智慧課堂、教師共同體及其影響不斷序化.同時根據耗散結構的判別公式可知,|B|=0.881 1<1+A2=1.193 8,表明當前信息化教學生態并未處于耗散結構狀態,即未能引起信息化教學生態的變革.

表 4 信息化教學生態負熵值Tab.4 Negative entropy value of informatization instruction ecology
一方面可看出信息化教學生態正熵指標的平均熵值為0.494 6,整體上表明信息化教學與教研已成為了數字化示范校教師的常態化工作.而教學模式創新(0.706 0)、教學示范與培訓(0.722 0)以及在線信息分享(0.667 3)指標的熵值相對偏高,說明目前學校與教師在教學模式創新、示范引領等方面還存在發展不平衡,需要進一步推進教學創新的模式探索與示范引領實踐,這也是實現教育信息化從1.0跨越到2.0階段的關鍵問題.
另一方面在信息化教學生態負熵指標中,信息技術物質環境要素上校園網絡建設(-0.613 3)、數據中心管理(-0.794 6)、師生電子終端(-0.796 9)指標的負熵絕對值較低,而數字化教學空間(-1.616 8)和創新空間(-1.705 1)相對較高,這是由于各個學校在網絡、數據中心和終端等基礎設備上的發展較為一致,均達到了數字校園建設的要求,而在更豐富性的數字化環境建設上有所差異,各個學校可在信息化基礎設施上加以突破,為信息化教學生態的變革提供一定基礎.信息化教學運維環境要素相關指標的負熵絕對值相對較高,能有效地為信息化教學生態注入熵流.在政策與制度環境要素上,整體指標負熵絕對值都較低,特別是保障與激勵制度(-0.242 2)指標,目前各個單位在學校管理規章制度、教學激勵政策、資源共建共享機制等方面均有所保障,但是如何制定出適應于教育信息化2.0的學校整體發展相應制度還需加以創新與探索.
信息化教學生態系統要實現自組織狀態,且維持二元生態系統持續的活力與創新力,關鍵還在于增強教師的研究意識,促進教師群體動力.教育信息化2.0階段要求教師在信息化教學勝任的基礎上追求教學的創新.而教育的創新往往是從組織管理與領導變革開始,以相應的組織文化形成為成熟標志.本研究基于耗散系統理論,探索信息化教學生態發展規律,提出從以下三方面來發展新型的教學關系,發展數字教師共同體,塑造勇于創新、探索的文化氛圍.
教學生態的重塑是人力、物資、制度、信息的全面調整過程.組織理念價值的定位首先體現在組織結構中.管理決策權上,實施權力的下放與合理的分布管理.探索性問題往往需要團體的決策,全體教師的參與可以極大調動教師的主動性與積極性.團隊建設方面,以信息化教學活動為核心,建設學校的創新團隊,結合正式與非正式多種組織形式,多元化的組織方式激勵教師間的專業交流,以實現最大范圍內的知識共享.總之,管理方式從行政命令式向服務型管理轉變,需要配合相應的結構變革.建設利于信息高效傳遞的互通渠道,同時保持組織結構的扁平化、精簡化,增強組織的協作特征和決策效益,利于學校人力、物資的迅速調配,促進生態中信息、能量的流動與有效轉換.
創新型組織是能夠引導與鼓勵創新行為的組織.首先,培育一種用于表達不同意見,包容新思想、新思路的組織氛圍,需要相對寬松的機制環境,需要民主、平等的決策機制保障教師學習與研究的參與度.其次,兼顧主動引領與積極鼓勵,在發起豐富的信息化教學教研活動同時,鼓勵非正式組織的創新思想與行為,不遺漏任何有價值的思想,確保新思想的提倡者感受到自己的思想被認可和重視,關注教師的心理成就.再次,兼顧群體智慧與個體差異性,以更加靈活的管理制度來應對不同教師個體學習、研究以及生活的需求.在積極地面對個體的新思想、新探索、新發現的同時,調動群體思維來深入分析、評價創新思想,促進有潛力的信息化教學新思想的實施與發展.兼顧教師的心理預期與利益預期,在績效制度的建立方面,以共同體的整體績效作為個人績效的考核標準,消除信息化創新探索中的競爭心理,激勵教師的團體精神與專業共享.
開放是自組織系統的必要條件,通過加強與其他學校與平臺的合作,實現校與校之間的教育溝通,以及學校與社會之間的交流.組織的創新行為除了源于內部自身創新,同時也有源于其他組織的借鑒與示范.加強校與校之間的交流,促進教育管理先進經驗的相互學習,探討學校雙方良好的運行機制,形成能夠有效執行、評價、反饋以及調節的合作模式.通過對外合作為教師之間的深入交流提供機會,包括班級管理、教育教學、教研科研等方面;通過對外合作為學生之間的深入交流提供機會,包括相互學習、相互交流等方面;通過對外合作為各自學校帶來更多的資源和機會,帶來學校管理、教育教學、校園文化、教研科研、交流學習等多方面的優勢.特別是加強與高校的合作,通過引進高校專家、人才對教學工作進行指導、改進,促進學校教育管理與教學的發展.加強與企業之間的合作,借助企業優秀的信息資源、技術支持平臺打造智慧校園.加強與政府之間的合作,響應相關的教育政策,借助政府的力量推動教育改革,使得學校與學校、企業、政府之間形成UGBS教育發展共同體,為學校的發展與成員的成長注入新的活力,形成良性發展的自組織形態.